научная статья по теме БЫСТРОЕ ЗАЖИГАНИЕ МИШЕНЕЙ ИНЕРЦИАЛЬНОГО СИНТЕЗА Физика

Текст научной статьи на тему «БЫСТРОЕ ЗАЖИГАНИЕ МИШЕНЕЙ ИНЕРЦИАЛЬНОГО СИНТЕЗА»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 1, с. 3-59

ЛАЗЕРНАЯ ^^^^^^^^^^^^^^^^ ПЛАЗМА

УДК 533.9

БЫСТРОЕ ЗАЖИГАНИЕ МИШЕНЕЙ ИНЕРЦИАЛЬНОГО СИНТЕЗА

© 2013 г. С. Ю. Гуськов

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия e-mail: guskov@sci.lebedev.ru Поступила в редакцию 27.03.2012 г.

Представлен обзор результатов исследований в области быстрого зажигания мишеней инерциаль-ного термоядерного синтеза. Рассматриваются все аспекты концепции быстрого зажигания, которая состоит в разделении процессов сжатия и зажигания мишени за счет синхронизованного воздействия различных энергетических драйверов. Обсуждаются критерии степени сжатия и темпы нагрева мишени быстрого зажигания, энергетический баланс и коэффициент усиления. Представлен анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований нагрева сжатой мишени зажигающими драйверами различного типа — пучками быстрых электронов и легких ионов, которые образуются при воздействии на мишень петаваттного лазерного импульса, пучком тяжелых ионов, сформированных в ускорителе, рентгеновского импульса, а также гидродинамического потока вещества, ускоряемого под действием лазерного импульса. Обсуждаются требования к параметрам зажигающих драйверов, которые определяются критериями быстрого зажигания в условиях конкретных механизмов нагрева мишени, а также возможности практической реализации этих требований. Обсуждаются программы работ различных лабораторий и перспективы практического осуществления быстрого зажигания мишеней инерциального синтеза. Быстрое зажигание представляет собой наиболее перспективный из предложенных на сегодняшний день методов снижения энергии зажигания и увеличения коэффициента термоядерного усиления плазмы с инерциальным удержанием. Этому направлению исследований вместе со смежными проблемами физики формирования зажигающих драйверов и их взаимодействия с плазмой посвящено очень большое число публикаций. В данном обзоре с той или иной степенью подробностей изложены результаты, конечно, только части этих работ, которые, по мнению автора, позволяют достаточно полно обсудить основные физические положения концепции быстрого зажигания, а также представить современное состояние и перспективы исследований в этом направлении.

DOI: 10.7868/S0367292113010010

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее важным принципом осуществления термоядерной реакции при инерциальном способе удержания плазмы [1] является пространственно-временное согласование процессов сжатия и нагрева мишени, содержащей изотопы водорода, при воздействии на мишень излучения импульсных источников энергии (драйверов). Это согласование должно обеспечить образование перед началом горения мишени такого состояния термоядерного вещества, которое отвечало бы его максимальному сжатию при минимальной температуре во всей массе за исключением ее небольшой части, которая должна быть нагрета до термоядерной температуры. В нагретой части плазмы — области зажигания (игниторе) — должно произойти достаточное количество реакций синтеза для того, чтобы выделившейся энергии было достаточно для распространения самоподдерживающейся волны термоядерного горения на окружающее относительно холодное сжатое горючее. Тогда при соблюдении требования, что начальная энергия игнитора мала по сравнению с энергией основной массы горючего, может быть достигнут

коэффициент термоядерного усиления (отношение энергии, выделившейся в реакциях синтеза, к начальной энергии всего термоядерного горючего), который превышает коэффициент усиления при горении однородной плазмы в отношение температур нагретой и холодной частей горючего. Именно в этом случае коэффициент усиления может превысить несколько сотен, и даже тысячу, а полный коэффициент усиления по отношению к энергии драйверов, затраченной на создание плазмы — несколько десятков, что необходимо для общего положительного энергетического выхода термоядерной электростанции с учетом эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую, КПД драйверов и эффективности преобразования их энергии во внутреннюю энергию образующейся плазмы.

В настоящее время исследования в области инерциального термоядерного синтеза (ИТС) развиваются в рамках двух концепций зажигания — гидродинамического искрового зажигания, включая зажигание сфокусированной ударной волной, и быстрого зажигания — в основе которых лежат различные способы согласования

процессов сжатия и нагрева плазмы и различные методы формирования игнитора.

Согласование сжатия и нагрева плазмы обеспечивается выбором конструкции мишени и параметров, воздействующих на нее драйверов. В качестве драйвера для сжатия мишени могут использоваться лазерный импульс, импульс рентгеновского излучения и пучок тяжелых ионов, сформированный в ускорителе. Следует сразу заметить, что развитие экспериментальных исследований в области ИТС вплоть до сегодняшнего дня связано в основном с использованием в качестве первичного импульсного источника энергии лазера либо при облучении мишени непосредственно лазерным излучением, либо при облучении мягким ренгеновским излучением, в которое преобразуется лазерное. В меньшей степени используются мощные пинчи, в том числе, при облучении мишени рентгеновским излучением Z-пинча. Что касается тяжелоионного драйвера, это направление пока обсуждается только теоретически.

По этой причине при обсуждении вопросов сжатия мишени ИТС будет рассматриваться лазерное воздействие на мишень, и в первую очередь, при ее облучении непосредственно лазерными пучками, так называемое, прямое сжатие. По мере необходимости будет также обсуждаться и непрямое сжатие мишени при облучении мягким рентгеновским излучением, в которое преобразуется первичное лазерное. В последнем случае термоядерная мишень помещается в центре специальной камеры-конвертора цилиндрической или сферической формы. Рентгеновское излучение генерируется на внутренней поверхности камеры-конвертора, на которую фокусируются лазерные пучки, попадающие в камеру через специальные вводные отверстия. Энергия воздействующего на мишень рентгеновского излучения, составляет малую долю (10—20%) от энергии лазерного излучения, поступающего в конвертор. Однако, такой метод позволяет обеспечить высокую степень однородности облучения мишени, что оказывается очень важным для достижения высокой степени сжатия.

Излучение драйвера, поглощаясь в мишени, нагревает и испаряет вещество ее внешней части. На внешней поверхности мишени образуется высокотемпературная плазма, разлетающаяся от поверхности мишени навстречу воздействующему излучению драйвера. Под действием давления испаренной части мишени, так называемого абляционного давления, происходит имплозия — сжатие неиспаренного вещества внутрь мишени.

Для сжатия мишени ИТС используется коротковолновое лазерное излучение с длиной волны X < 1 мкм. С уменьшением длины волны повышается эффективность воздействия излучения на мишень. Главная причина этого состоит в том,

что с уменьшением длины волны излучения растет критическая плотность плазмы, которая отвечает равенству частоты лазерного излучения и плазменной частоты. Тем самым увеличивается плотность области плазмы, где происходит поглощение лазерного излучения. Это приводит к увеличению коэффициента обратно тормозного поглощения и к росту абляционного давления. По этой же причине с уменьшением длины волны увеличивается и степень конверсии лазерного излучения в собственное рентгеновское излучение образующейся плазмы. Поэтому и непрямое сжатие также основано на использовании коротковолнового лазерного излучения. Большинство проводимых экспериментов и проектов будущих исследований в области лазерного термоядерного синтеза (Л ТС) основано на использовании первых трех гармоник излучения твердотельного лазера на неодимовом стекле с длиной волны основной гармоники X = 1.06 мкм. Сегодня именно такой тип лазера позволил в лабораторных условиях достигнуть энергию излучения мегаджоуль-ного уровня, значительно, в несколько сотен раз, превышающую современные возможности коротковолновых лазеров других типов. Недостатком современных мощных Мё-лазеров является пока их низкий КПД (около одного процента), что обусловлено использованием ламповой накачки, которая не может обеспечить эффективное согласование спектральных диапазонов излучения накачки и поглощения лазерной среды. Однако в технологии усовершенствования Мё-лазера имеется серьезный резерв в виде диодной накачки, применение которой, в принципе, позволяет повысить КПД такого лазера до 10%.

Теоретическая основа развития исследований пространственно-временного согласования сжатия и нагрева плазмы в процессе имплозии мишени ИТС лежит в области математических решений режимов безударного или изэнтропического сжатия однородной сферической мишени под действием приложенного к ее границе давления, величина которого возрастает со временем [2, 3]. В работе [4] было предложено формировать абляционное давление с временной зависимостью, обеспечивающей безударное сжатие сферической мишени, за счет использования профилированного лазерного импульса, интенсивность которого возрастает со временем по специальному закону (рис. 1а). Такой импульс должен иметь бесконечное обострение, другими словами, его интенсивность должна стремиться к бесконечно большому значению за конечный промежуток времени. Практическая трудность применения этого метода была во многом преодолена за счет последовавшего вскоре предложения использовать мишень в виде полой оболочки [5] (рис. 1б).

Основными элементами такой мишени является внутренний слой оболочки, представляю-

Id

(a)

(в)

3

tr

i=>

Id1

tr

(б)

Q^ ©

(г)

Id2

Л

С) ^^ <□ "=>@<^

tr

и t

и t

Рис. 1. Схемы пространственно-временного согласования параметров драйверов и мишени ИТС: а) — однородная DT-мишень и профилированный импульс с бесконечным обострением [4]; б) — оболочечная мишень и умеренно профилированный импульс [5], в) — зажигание сфокусированной ударной волной (shock ignition) [10]; г) — прямое или быстрое зажигание (fast ignition) [11].

d

d

t

щий собой термоядерное горючее в виде слоя DT-льда, и внешний слой-аблятор, котор

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»